최근 몇 년 동안 상용 및 군용 항공기, 위성, 우주선, 드론, 무인 항공기(UAV)를 포함한 항공우주 분야는 몇 가지 극적인 변화를 겪었습니다. 점점 더 많은 회사가 우주 경쟁에 참여하고 있으며, 그 중 많은 회사가 혁신적인 제조 기술을 필요로 합니다.
대조적으로, 새로운 왕관 전염병으로 인한 상업 항공에 대한 여행 제한의 영향으로 인해 민간 항공기 생산 속도가 1/3로 떨어졌습니다.
2019년에 유럽은 다양한 부품과 항공기 엔진을 포함하여 민간 항공기와 헬리콥터 생산 분야에서 세계적인 리더 중 하나였으며, 약 400000 일자리를 지원하고 1,300억 유로의 수익을 창출했습니다. 우주 탐사와 방어는 대유행의 영향을 거의 받지 않았지만 민간 항공기 생산은 여전히 회복되고 있습니다.
2023년 2월에 발간된 "Uncertainty in Commercial Aerospace"(Uncertainty in Commercial Aerospace)에서 저명한 컨설팅 및 리서치 회사인 McKinsey는 전 세계가 9,400대의 여객기(주로 내로우 바디 제트기) 건설을 소화해야 한다고 보고했습니다. ) 2027년 말까지. 항공기) 백로그. 그러나 항공 여객 수송의 미래 성장, 공급망의 건전성 및 노동력에 대한 불확실성이 있습니다. 결과적으로 제조업체는 백로그를 처리하고 향후 수요 변화에 대응하기 위해 생산 효율성과 유연성을 높여야 합니다.
생산성을 높이고 비용을 낮게 유지하는 레이저 가공 능력은 항공우주 산업에서 이러한 대응을 가능하게 하는 데 핵심적인 역할을 할 수 있습니다. 레이저 가공(절단, 용접, 피닝 및 드릴링 형태의 작업)은 항공우주 제조의 필수적인 부분이 되었습니다.
예를 들어, 레이저는 항공기 날개, 날개 패스너, 제트 엔진 부품 및 좌석 부품용 플랩을 만드는 데 사용되며 터빈 수리, 부품의 페인트 청소 또는 제거, 추가 가공을 위한 부품 준비에도 사용됩니다. 부품 표면. 최근 몇 년 동안 레이저 적층 제조(AM)는 우주 비행에서도 인기를 얻었습니다. 또한 시장은 항공우주 부품의 추적 가능성을 개선하기를 희망하며 레이저 마킹에 대한 요구 사항도 증가하고 있습니다.
레이저 절단 및 용접
레이저 절단은 항공우주 부문의 까다로운 제조 요구 사항을 충족하는 데 사용되는 빠르고 비용 효율적이며 정밀한 프로세스입니다.
전통적인 가공에 비해 레이저 절단은 정밀도가 높고 재료 낭비가 적으며 가공 속도가 빠르고 비용이 저렴하며 장비 유지 보수가 적습니다. 또한 가공에 필요한 변경 사항을 빠르고 쉽게 만들어 생산성을 극대화합니다.
레이저는 윙 패스너 부품, 지그 부품, 엔드 이펙터 부품, 툴링 부품 등을 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 그래프팅된 오일 개스킷 및 티타늄 블리드 덕트 매니폴드와 같은 소형 부품뿐만 아니라 배기 콘과 같은 대형 부품에도 동일하게 적합합니다. 알루미늄, 하스텔로이(몰리브덴 및 크롬과 같은 원소와 합금된 니켈), 인코넬, 니티놀, 니티놀, 스테인리스강, 탄탈륨 및 티타늄을 포함한 다양한 항공우주 소재를 가공할 수 있습니다.
레이저 용접은 접착 본딩 및 기계적 체결과 같은 기존 접합 방법의 대안으로 항공우주 분야에서도 사용됩니다. 예를 들어, 항공기 구조에서 경량 알루미늄 합금 및 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP)의 레이저 용접 사용이 주목을 받고 있으며 가능하면 리벳팅을 대체하는 데 사용되고 있습니다. 레이저 직조 용접과 같은 기술은 연료 탱크 결합, 결합 효율 및 강도 개선, 재작업 감소 및 많은 비용 절감에 성공적이었습니다. 항공 우주에서의 다른 용접 성공에는 터빈 블레이드의 주조 코어를 커버 플레이트에 결합하는 것이 포함됩니다. 층류 제어를 높이고 항력을 최소화하며 연료 효율을 최적화하는 새로운 유형의 경량 날개 플랩을 만듭니다.
레이저 용접은 기존 방법에 비해 비용을 절감하고 부품 중량을 줄이며 용접 품질을 향상시킬 수 있는 잠재력이 있으며 현재 여러 제조업체에서 기체 부품 생산을 위해 레이저 용접을 고려하고 있습니다.
L청소
항공우주 분야의 제조업체는 레이저 클리닝을 사용하여 기계 가공을 위한 준비 과정에서 금속 및 합성 표면 층을 제거하고, 코팅 또는 부식을 제거하고, 재도색 전에 대형 구성 요소 또는 전체 항공기에서 페인트를 제거합니다.
청소 과정에서 레이저는 금속 표면에 의해 흡수 및 증발되어 내부 층 재료에 거의 영향을 미치지 않으면서 표면 재료의 제거를 달성하고 부품에 부수적인 열 손상을 일으키지 않습니다. 킬로와트 등급의 펄스 파이버 레이저는 특히 빠른 레이저 청소에 적합합니다. 세라믹, 복합 재료, 금속 및 플라스틱을 포함한 다양한 재료를 효율적이고 정밀하게 청소할 수 있습니다.
최근 몇 년 동안 항공기에서 복합 재료의 사용이 증가했으며 따라서 복합 재료에 금속을 접합해야 할 필요성도 있습니다. 항공우주 제조에서는 접착제를 사용하여 이 두 가지 다른 재료를 결합할 수 있습니다. 강한 접착력을 얻으려면 접착제를 바르기 전에 두 표면을 조심스럽게 준비해야 합니다.
레이저 클리닝은 일관되고 예측 가능한 접합을 가능하게 하는 매우 엄격하게 제어되고 재현 가능한 표면 마감을 생성하기 때문에 이상적입니다. 전통적으로 이것은 파괴적인 발파 기술이나 여러 화학 물질의 적용을 통해 수행됩니다. 그러나 이제 레이저 청소는 더 비용 효율적이고 생산적일 뿐만 아니라 독성 화학 물질이나 발파 재료가 필요하지 않기 때문에 환경에 미치는 영향이 더 적은 원스텝 방법을 제공합니다. 레이저 클리닝은 기존 방법보다 부품에 훨씬 부드럽습니다.
금속 및 합성 항공기 부품의 레이저 클리닝또한 페인트 스트리핑과 관련하여 화학적 스트리핑 또는 블라스팅 기술보다 더 유익합니다. 수명 동안 항공기는 4-5번 다시 칠할 수 있으며 기존 기술을 사용하여 전체 항공기에서 페인트를 제거하는 데 일주일 이상이 걸릴 수 있습니다. 반대로 레이저 청소는 항공기의 크기에 따라 이 시간을 3-4일로 단축할 수 있으며 작업자가 부품에 더 쉽게 접근할 수 있습니다. 또한 화학적 박리 또는 발파가 아닌 페인트 제거에 레이저 청소를 사용하면 유해 폐기물이 약 90% 이상 감소하고 자재 취급 요구 사항이 줄어들기 때문에 항공기당 수천 파운드의 상당한 비용 절감 효과를 얻을 수 있습니다.
레이저 피닝/레이저 쇼크 피닝
금속 구성 요소 내의 응력은 제트 엔진의 팬 블레이드와 같은 항공기 구성 요소의 금속 피로 파손으로 이어질 수 있으며, 이는 손상이나 부상을 유발할 가능성이 있습니다. 이는 레이저 피닝으로 알려진 기술로 완화할 수 있습니다.
이 과정에서 레이저 광 펄스는 스트레스가 집중된 영역으로 향하고 각 펄스는 구성 요소 표면과 그 위에 분사된 물 층 사이에서 작은 플라즈마 폭발을 일으킵니다. 수층은 충격파가 구성 요소를 관통하고 전파 영역이 확장됨에 따라 압축 잔류 응력을 생성하는 폭발을 제한합니다. 이러한 응력은 균열 및 기타 형태의 금속 피로를 상쇄합니다. 기존 공정과 비교하여 레이저 강화는 금속 부품의 수명을 10-15배 연장할 수 있습니다.
레이저 피닝은 항공우주 산업에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 예를 들어, LSP Technologies와 Airbus는 프랑스 툴루즈에 있는 Airbus의 유지 보수 및 수리 시설에서 최근 테스트 및 평가된 휴대용 레이저 피닝 시스템을 공동으로 개발했습니다.
Leopard 레이저 피닝 시스템은 주기적인 진동 응력으로 인한 균열의 시작 및 전파를 억제하여 피로 수명을 연장합니다. 광섬유 빔 전달 및 맞춤형 도구의 유연성을 통해 시스템은 항공기가 도달하기 어려운 영역을 레이저로 조명할 수 있습니다. 파트너에 따르면 이 시스템은 제트 엔진 블레이드의 수명 연장 등을 포함하여 사용을 향상시킬 레이저 강화 기술의 돌파구입니다.
미 해군의 FRCE(Fleet Readiness Center East)도 최근 F{0}}B Lightning II 항공기에 성공적으로 사용된 레이저 쇼크 피닝 공정의 검증을 완료했습니다. FRCE는 연료나 무기 운반 능력을 제한하는 추가 재료나 중량을 추가하지 않고 F-35B Lightning II의 프레임을 강화하는 프로세스를 사용했습니다. 이것은 미 해병대가 사용하는 단거리 이륙 및 착륙 변형인 5세대 전투기의 기대 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다.
Laser 드릴링
최신 항공기 엔진에는 약 500000개의 구멍이 있으며 이는 1980년대에 제작된 엔진의 약 100배입니다. 동시에 항공기 제조업체는 리벳 고정 및 나사 고정을 위해 많은 수의 드릴 구멍을 특징으로 하는 다른 부품을 점점 더 많이 생산하고 있습니다. 따라서 항공우주 분야에서 레이저 드릴링은 정확하고 반복 가능하며 빠르고 비용 효율적인 프로세스를 제공하기 때문에 엄청난 시장 잠재력을 가지고 있습니다.
예를 들어, 날개 또는 미부 안정기에 장착할 대형 티타늄 HLFC(Hybrid Laminar Flow Control) 패널의 효율적이고 정밀한 마이크로 드릴링을 위해 새로운 고출력 펨토초 레이저 시스템이 개발되고 있습니다. 이 패널은 작은 구멍을 통해 공기를 빨아들여 마찰 항력을 줄이고 연료 소비를 줄입니다.
레이저 드릴링은 비접촉식이므로 가공 중인 재료를 기존 공구와 같은 방식으로 고정할 필요가 없습니다. 비접촉식의 또 다른 이점은 공구 마모가 없다는 것인데, 이는 CFRP 구성 요소의 드릴링 작업에서 특별한 이점을 나타냅니다. 경도로 인해 CFRP 구성 요소는 기존 도구에 대해 매우 마모될 수 있습니다. 레이저 드릴링은 또한 매우 빠른 속도로 수행할 수 있으므로 열로 인한 과도한 손상이 처리 중인 재료에 해를 끼치지 않습니다.
A추가 제조
레이저 적층 가공(AM)도 항공우주 산업에서 빠르게 발전했습니다. 이 기술에서 레이저는 연속적인 분말 층을 녹여 모양을 만듭니다. 캘리포니아에 기반을 둔 한 로켓 회사는 최근 두 대의 12-레이저 빔 3D 프린터를 주문하여 더 가볍고 빠르고 강력한 우주 부품을 만들어 우주 임무를 보다 경제적이고 효율적으로 만들기도 했습니다.
많은 프로젝트가 아직 테스트 단계에 있지만 레이저 적층 제조는 이미 화성에 대한 두 가지 임무에서 성공적으로 사용되었습니다. 2012년 8월에 착륙한 NASA의 큐리오시티 탐사선은 3D 프린팅 부품을 화성에 보내는 첫 번째 임무였습니다. 이것은 적층 제조 기술의 신뢰성을 조사하기 위해 진행 중인 테스트 프로그램의 일부인 SAM(Sample Analysis at Mars) 기기 내부의 세라믹 구성 요소입니다.
한편, 2021년 2월 화성에 착륙한 NASA의 Perseverance 로버에는 레이저로 적층 가공된 11개의 금속 부품이 포함되어 있습니다. 이러한 구성 요소 중 5개는 Perseverance의 PIXL(Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry)에 있으며 화성에서 화석 미생물 생명체의 흔적을 찾고 있습니다. 이러한 부품은 단조, 성형 및 절단과 같은 전통적인 기술로 생산할 수 없을 정도로 가벼워야 합니다.
NASA는 또한 로켓 구성 요소의 레이저 적층 제조를 실험하고 있습니다. 한 연구에서 로켓 엔진의 연소실은 구리 합금으로 제작되었습니다. 이 레이저 적층 제조의 지속적인 개발로 인해 기존 기계 가공, 결합 및 조립에 필요한 비용의 약 절반과 시간의 1/6로 부품을 제조할 수 있게 되었습니다. 사용된 구리 합금은 적외선 레이저에 대한 반사율이 높기 때문에 NASA는 현재 녹색 또는 청색 레이저가 효율성과 생산성을 향상시킬 수 있는 방법을 조사하고 있습니다.
항공우주 분야에서 적층 가공의 사용은 아직 초기 단계이지만 향후 20년 동안 성장할 것으로 예상됩니다.
레이저 텍스처링
레이저 텍스처링은 항공우주 산업에서 매우 새로운 응용 분야이기도 합니다. 이 과정에서 초고속 레이저를 사용하여 직접 레이저 간섭 패터닝(DLIP)이라는 기술을 통해 항공기 표면에 마이크로 나노구조를 생성합니다. 오염을 방지하고 항공기에 얼음이 쌓이는 것을 방지합니다.
혁신적인 광학 장치는 강력한 초고속 레이저 펄스를 여러 개의 부분 빔으로 분할한 다음 처리할 표면에서 결합합니다. 현미경으로 볼 때 결과적인 미세 구조는 "기둥" 또는 주름으로 만들어진 미세한 "홀"과 유사합니다. "기둥" 사이의 거리는 약 150nm ~ 30μm입니다. 이 구조는 물방울이 표면을 충분히 붙잡지 못하기 때문에 더 이상 표면을 적시고 달라붙지 못한다는 것을 의미합니다.
항공기용 소재의 이점으로는 물, 얼음 및 방충성이 향상됩니다. 이들은 항공기 표면에 달라붙어 항공기의 바람 저항을 증가시켜 연료 소비를 증가시킬 수 있습니다. 이 레이저 텍스처링을 적용하면 결빙을 방지하기 위해 현재 항공기 표면에 적용되는 독성 화학 처리의 필요성이 줄어듭니다. 시간이 지남에 따라 노화되고 손상되기 쉬운 것으로 알려져 있습니다. 또한 DLIP 방법으로 생산된 레이저 구조는 환경 문제를 일으키지 않고 수년간 지속될 수 있습니다.
